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无机颜料表面处理机理与作用

发布者:无机涂料|水无极   发布时间:2018-5-28 14:16:29

对无机颜料进行表面处理,可以进一步提高颜料的应用性能和使用效果,充分体现其光学性质和颜料性能,是提升颜料质量档次的主要措施之一。
1 表面处理的作用
对无机颜料进行表面处理的作用可概括为三个方面:①提高颜料本身的特性,如着色力、遮盖力等;②提高使用性能,增强颜料在溶剂和树脂中的分散性和分散稳定性;③提高颜料制成品的耐久性、化学稳定性和加工性能。
颜料的表面处理可以通过无机包膜和添加有机表面活性剂来实现其目的,例如:
铬黄在制造涂料过程中容易发胀、变稠,在调色时容易出现“丝光”,通过添加锌皂、磷酸铝、氢氧化铝来减少其粗针状晶体,降低发胀现象;铅铬黄颜料可以用二氧化硅或锑化合物或稀土元素进行表面处理,以提高其耐光、耐热和化学稳定性;镉黄可以通过Al2O3 、 SiO2 表面处理来提高其表面积、增强耐候性,也可以通过添加硬脂酸钠、烷基磺酸盐等使其表面从亲水性变为亲油性而更容易在树脂中分散;镉红通过 Al2O3 、 SiO2 包膜表面处理也可以提高其分散性和耐候性;氧化铁颜料可以用硬脂酸作表面处理剂,提高其在有机介质中的分散性,也可以通过Al2O3 表面处理,增强其表面亲油性能;透明氧化铁黄,可以通过添加十二烷基萘磺酸钠表面处理来提高它的分散性和透明度;氧化铁蓝颜料耐碱性差,可以通过脂肪胺表面处理来增强其耐碱性能;群青的耐酸性差,可以通过 SiO2表面处理来提高它的耐酸性能;立德粉可以通过稀土元素表面处理来降低立德粉中硫化锌的光化学活性;碳酸钙可以通过硬脂酸、硬脂酸钙、聚丁二烯、松香酸或钛酸酯、磷酸酯、硅烷偶联剂表面处理,生产出各种不同牌号、不同用途的活性碳酸钙;高岭土可以通过某些季胺盐或甲基丙烯酸酯、硅烷、脂肪酸、钛酯酸进行表面处理,制成应用性能极佳的活性高岭土;钛白粉可以通过Al2O3 、 SiO2、 ZrO2 表面处理来提高其耐候性,以及用各种有机表面活性剂来提高它的湿润性和分散性。
2 表面处理的作用机理
无机颜料的基本光学性能和颜料性能,主要由以下三方面来确定:①颜料与分散介质之间的折光率之差;②被固体吸收的光(包括固体中的杂质);③粒径及粒径分布。其中粒径及粒径分布可以通过表面处理来改善。
在颜料生产过程中,无论被研磨多细的颜料粉末,总会含有一些聚集和絮凝粒子。颜料在运输、储存过程中,由于挤压、受潮会进一步絮凝成大颗粒,而且颜料越细、表面积越大、表面能更高,更容易絮凝在一起。如果通过适当的表面活性剂处理后,这些絮凝的大颗粒,在使用时就很容易被分散开来,其分散机理主要如下:
2.1 润 湿
无机颜料粉末在液体中的分散主要经过以下三个阶段:①粉末的湿润,液体不仅要湿润粉末的表面,还要把粉末粒子间的空气和水分置换出来;②通过湿润的粉末并置换出粒子间的空气和水分后,颜料粉末中的絮凝体和聚集体被破坏;③被湿润和被破坏的絮凝体和聚集体粉末在液体中保持稳定的分散状态。也就是说分散是润湿—分散—保持分散体稳定的过程。一般情况下,无机颜料在使用前是很少进行烘干处理的,颜料的表面除了夹杂着空气,还吸附一层水膜。颜料表面通常所吸附的水量,相当于固体表面上所形成单分子膜所需要的水量。例如每克 TiO2  表面积为 10m 2 ,水分子吸附层厚度为 10 × 10 -10 m ,单分子膜所需要的水量约为颜料重量的 0.3% ,所以颜料中的水分含量也是影响其分散性能的主要因素之一。固体被湿润的好坏,可根据其接触角来判断,接触角为 0 °表示完全湿润,液体完全展布在固体的表面;接触角为 180 °表示完全不湿润,液体呈水珠状附着在固体的表面。
固体能否在液体中良好湿润,除了用接触角大小来判断外,还可测定其湿润热的大小来判断,一般亲水性粉末(如 TiO 2 )在极性液体中湿润热大,在非极性液体中湿润热小,而疏水性粉末在极性和非极性液体中的湿润热大致上是一定的。
固体粉末在液体中的沉降速度和沉降容积的大小也可判断其湿润程度的好坏(见表 1 ),像 TiO 2 这种极性大的固体在极性大的溶液中沉降容积小,在极性小的溶液中则大;而非极性固体粉末一般沉降容积都大。通过加入表面活性剂处理后,由于表面活性剂分子有力地定向吸附在固体的表面,有助于降低液体的表面张力,提高其湿润和分散性能。
2.2 电斥力(ξ电位)
无机颜料在水溶液中的分散和分散稳定性,主要依赖其在水中的电斥力即ξ电位的大小来决定。
电斥力就是利用电荷的排斥来保持分散稳定性。
表面活性剂能在水溶液中电离出大量带负电(或正电)的离子,牢固地吸附在颜料粒子的表面,使这些粒子带有相同电荷,其它带相反电荷的离子则自由扩散到液体介质的周围,形成一个带电离子的扩散层(双电层)。自固体表面至扩散层最远处(即带相反电荷为 0 的地方)的两层离子间的电位差称为ξ电位。粒子间的静电斥力就是由此而来,这些带相同电荷的粒子一经接触就相互排斥,从而保持分散体系的稳定,即著名的 D.L.V.O. 理论。

在电斥力的情况下,表面活性剂必须具有高的电离性能,通常使用的是阴离子表面活性剂及一些无机电介质,如:多磷酸三钾、焦磷酸钾、多磷酸钠、烷基芳基磺酸钠、次亚甲基萘磺酸钠、聚羧酸钠等。

无机涂料

2.3 空间位阻效应(或熵效应)
当颜料分散在非水介质中时,便大大排除了上述离子反应的可能性,非离子表面活性剂在水中不电离,在这种情况下,表面活性剂的作用称之为空间位阻效应或熵效应。因为表面活性剂能够定向地吸附在颜料粒子的表面,形成一种单分子吸附层,这种定向缓冲层能防止粒子间的相聚,从而保持分散体系的稳定(又称保护胶体或胶束)。
颜料表面的表面活性剂分子群,随着表面活性剂浓度的提高,其熵会降低,运动将受到限制,颜料粒子越靠近、越压缩,其熵会进一步降低,从而有利分散体系的稳定。
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